“透明玻璃”光芯片誕生！有望用于精密測量、AI算力和量子計算

“讓芯片上的光子通道能如同光纖玻璃般純凈透明，是我們課題組 20 多年以來一直追尋的夢想。如今通過制備工藝的突破，它正變得觸手可及。”談及發(fā)表在 Nature 上的光芯片論文，第一作者兼共同通訊作者、美國加州理工學院博士后陳豪敬對 DeepTech 介紹道。

圖丨陳豪敬（來源：受訪者）

這項研究來自加州理工學院、南安普敦大學與加州大學圣塔芭芭拉分校聯(lián)合團隊，他們共同開發(fā)了一種超低損耗摻鍺二氧化硅光子集成平臺。

“摻鍺二氧化硅聽起來像是一種很陌生的材料，其實存在于家家戶戶的光纖就是由這種玻璃材料構成的?，F(xiàn)在我們通過標準半導體 CMOS 工藝將這種光纖材料遷移到芯片上，所以也稱它為片上光纖?！标惡谰幢硎?。

值得注意的是，這款芯片是目前唯一能在可見光到近紅外波段實現(xiàn)小于 1 分貝/米（dB/m）超低損耗的光子芯片，在紫光波段（458nm）損耗低至 0.49dB/m，在 1064nm 處損耗低至 0.08dB/m，該性能接近于 1970 年康寧公司第一次制成低損耗光纖時的損耗水平。

（來源：受訪者）

擁有一塊如同透明玻璃般的光子芯片，究竟能打開多少想象空間？

研究團隊基于這一“片上光纖”平臺，結合色散調(diào)控、聲光束縛與低噪聲設計，成功演示了光學頻率梳、布里淵激光與窄線寬激光器這三種核心功能。這標志著該平臺并非只能實現(xiàn)單一功能，而是成為一個能同時支撐多種高性能光子器件的通用“工具箱”。

尤為重要的是，研究團隊將可見光芯片激光器的線寬壓窄到 10Hz 量級，相比之前的記錄優(yōu)化了 2 到 3 個數(shù)量級，對于工作在此波段的原子傳感器、光學原子鐘、中性原子/離子阱量子計算系統(tǒng)至關重要。

圖丨窄線寬混合集成激光器（來源：Nature）

陳豪敬表示，這一工作攻克了集成光子學領域長期存在的損耗瓶頸，它不是單一的應用，而是從底層實現(xiàn)了平臺的突破。

基于這種高性能、寬波段的新質光子芯片，未來實驗室里占據(jù)一整張光學平臺的精密測量裝置，有望被集成到一枚指甲蓋大小的芯片上；人工智能的算力瓶頸，有可能通過光速傳輸與計算的低能耗芯片來突破；甚至構建量子計算機的核心部件，也有望能像搭積木一樣在芯片上規(guī)模化制備。

近日，相關論文以《從紫光到近紅外波段，通往光纖級損耗的光子集成》（Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared）為題發(fā)表 Nature 上 [1]。

圖丨相關論文（來源：Nature）

低損耗：光子芯片的“生命線”

也許很多人沒意識到，我們每天使用的互聯(lián)網(wǎng)之所以能讓全球數(shù)據(jù)光速通達，憑借的是其信息傳遞載體——光纖的超低損耗?？梢园阉胂蟪梢粭l極其光滑、寬闊的超級高速公路，光信號作為“快遞員”，能在其中跑得極快、極遠，而幾乎不消耗“體力”（能量）。

如今，人們希望將這種強大的光信號處理能力，壓縮到一枚小小的光子芯片上，在極小的面積內(nèi)集成很長的光路、實現(xiàn)復雜的功能。

然而，光在這種微米甚至納米級通道中前進會因材料吸收、散射及表面污染等原因而不斷損耗能量。損耗值每升高 1 個數(shù)量級，光信號能有效傳輸?shù)木嚯x或能完成的復雜運算步驟，就會降低十倍，基于光學微腔的激光器能耗和相干性甚至能惡化百倍。因此，損耗水平可以說是光子芯片“生命線”，并決定其能否從實驗室走向實際應用。

過去十年來，以氮化硅（Si3N4）和薄膜鈮酸鋰為代表的低損耗集成光學平臺在通信波段（約 1550nm）取得了巨大成功。然而，當研究人員試圖將這一范式推向波長更短的可見光及近紅外波段（400-1100nm）時，卻遇到了難以逾越的物理瓶頸。

一方面，光在芯片波導中傳播時，由于波導側壁的粗糙度，光子會被散射產(chǎn)生損耗。當光子“變小”，所有粗糙都被放大。如同小轎車與大型越野車駛過同一片碎石路，小轎車（短波長光子）受到的顛簸和偏離（散射）會劇烈得多。

另一方面，波長越短，光子能量更高，這就像光子進入了材料中更密集的“捕獲區(qū)”，被吸收轉化為熱量的概率大大增加。因此，開發(fā)能在可見光波段實現(xiàn)超低損耗的平臺，需要材料體系純度、微納制備工藝與器件設計水平同時達到一個全新的高度。

（來源：受訪者）

為了攻克短波難題，研究團隊從光纖設計中獲得靈感，創(chuàng)造性地在二氧化硅芯片波導中摻入二氧化鍺。這不僅像“調(diào)味”一樣改變了材料特性，提高了折射率以約束光場，還意外地發(fā)現(xiàn)摻雜后材料的熔點降低了。

這一發(fā)現(xiàn)帶來了關鍵的工藝突破：他們可以利用代工廠標準的退火爐，在約 1,000℃ 下進行晶圓級的熱回流處理。這個過程如同微觀“熨燙”，憑借表面張力將波導側壁打磨得原子級光滑，從而從根源上極大抑制了光散射損耗。

由此，團隊實現(xiàn)了性能的跨越，例如在綠光波段，微環(huán)腔的品質因子達到 2 億，相比氮化硅平臺躍升了 2 個數(shù)量級。“在可見光波段，我們實現(xiàn)了根本性的突破，”陳豪敬指出，相比于通訊波段已經(jīng)成熟的“紅海”，一個全新的可見光與近紅外芯片應用“藍海”正在展開。

（來源：Nature）

兼容 CMOS 量產(chǎn)的工藝流程

除了追求極致的低損耗，能否與現(xiàn)有 CMOS 代工工藝兼容，是衡量一個光子集成平臺能否走向產(chǎn)業(yè)應用的另一個關鍵標尺。這決定了該技術能否依托半導體工業(yè)成熟的大規(guī)模制造體系，實現(xiàn)低成本、高一致性的生產(chǎn)，從而真正釋放其市場潛力。

而此論文所開發(fā)的光子芯片，其生產(chǎn)過程中使用的等離子增強化學氣相薄膜沉積（PECVD）、紫外光刻、電感離子耦合（ICP）刻蝕等工藝完全兼容 CMOS 產(chǎn)線。據(jù)團隊介紹，半導體代工廠只需微調(diào)現(xiàn)有工藝，即可大規(guī)模生產(chǎn)這類光芯片。

陳豪敬解釋道：“因為光的波長比電子波長要大，我們制備的光芯片也比計算機電子芯片的特征尺寸大，對光刻的精度要求更低。并且，由于可以應用熱回流‘熨燙’修復技術，對側壁刻蝕的粗糙度也有很大的容錯性?！?/p>

此外，即使在退火前，該光子芯片也能達到<1dB/m 的超低損耗，這代表與熱敏感材料（包括三五族半導體激光器、薄膜鈮酸鋰、有機光電材料）具有良好的多材料異質集成兼容性。

（來源：Nature）

一塊低損耗光子芯片，能走多遠？

“客觀地說，我們雖然邁出了用光纖材料實現(xiàn)低損耗光子芯片的第一步，甚至在可見到近紅外波段達到了領先水平，但距離光纖的材料極限，還有百倍的優(yōu)化空間?！标惡谰幢硎?。

研究團隊計劃通過開發(fā)更高質量的沉積、刻蝕與退火工藝，在芯片上實現(xiàn) 0.2dB/km 這一光纖級的超低損耗終極夢想?！拔蚁嘈?，這個平臺將在三個追求極致性能的前沿領域率先展現(xiàn)價值。”陳豪敬說。

（來源：受訪者）

在精密測量領域，極低的損耗能大幅提升光的相干性，能夠讓芯片級光學原子鐘、陀螺儀的精度發(fā)生質變，如同在寂靜的房間中捕捉一根針落地的聲音。

在人工智能與光計算領域，低損耗是構建大規(guī)模光神經(jīng)網(wǎng)絡的前提，允許光信號在復雜芯片回路中完成成千上萬次運算，從而釋放更高算力。

在量子信息領域，低損耗能極大降低量子計算錯誤率，同時也是構建大規(guī)模量子網(wǎng)絡與量子增強精密測量（如引力波探測）的基礎。

“Sand from centuries past: Send future voices fast.（古沙遞捷音，光纖所用的二氧化硅材料由沙石提煉而來。）”曾因光纖通信成就獲得諾貝爾獎的高錕先生，用這句話詩意地概括了自己的開創(chuàng)性工作。

如今，時間行至 21 又 2/4 世紀，一場關于這種傳奇材料的深刻變革正在芯片上悄然復興。研究人員不再僅僅滿足于用光纖連接世界，更致力于讓光在方寸之間完成更復雜的使命。從光纖到芯片，人類的信息正沿著這條愈發(fā)澄澈的微型光路，奔向更遠的未來。

參考資料：

1.相關論文開放獲取： https://www.nature.com/articles/s41586-025-09889-w

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